本篇文献发表在Biological Psychiatry杂志。本公众号所发布内容旨在与大家分享学术新知，促进交流学习，版权归原作者或原出处所有，感谢各位学者的辛勤付出与研究成果。

构建脑-行为关系模型中的争议与挑战

脑-行为关联研究涉及探索从功能磁共振成像数据（例如：执行任务时大脑激活的程度，或静息状态下感兴趣区域的功能连接性）中得出的指标与从认知任务表现或临床表型中（例如，注意力任务的表现，或抑郁症状的严重程度）得出的指标之间的关系。这些分析背后的假设是，大脑指标与表型之间的高相关性能够让我们深入了解复杂人类认知和行为背后的神经生物学基础。

早期对脑-行为关联研究的批评集中在经常被报道的“令人困惑的高”相关性上。具体而言，早期任务态功能磁共振成像研究中提出的一些分析可被认为是循环论证，因为它们选择了已被证明与感兴趣认知/行为测量高度相关的大脑体素进行分析。由于脑衍生指标和认知/行为测量的信度估计有上限，超过这些上限的脑-行为相关性很可能是虚假的。提高神经和心理测量的可靠性被认为是优化个体差异神经影像研究中个体间效应检测的一种手段。对正在研究的心理现象本质的可疑假设也可能导致脑-行为关系无法被复现。

现在，大型人群神经科学数据集正被用来进行效能充分的分析。一项研究分析了来自青少年大脑认知发展研究、人类连接组计划和英国生物银行近50,000个磁共振成像数据集，最近声称需要使用单变量分析方法对数千名受试者进行研究才能获得可复现的脑-行为表型关联。该研究考察了包括皮层厚度和静息态功能连接在内的大脑指标，以估计与认知和心理健康领域多个行为表型的关系，并认为在样本量小于数千名受试者时，小的全脑关联效应和人群抽样变异性可能导致夸大且不可复现的脑-表型关联。另一种可能加剧这些问题的变异性是，不同的研究人员可能会选择不同的大脑衍生特征来与表型相关联。此外，分析流程的差异可能对结果产生巨大影响。最近一项对768个功能磁共振成像数据处理流程的系统评估得出结论，其中大多数未能满足产生一致结果的标准。在此类所有分析中确实存在对用户定义标准的高度依赖性。从数据预处理到选择用于构建脑-行为关系模型的神经影像衍生特征，存在多个方法学选择点。这种分析灵活性使得难以确定哪些脑-行为关联是稳健的。

多变量方法在脑-行为关联研究中越来越多地被使用。这类预测算法可以在小至100名受试者的样本中产生高度可复现的结果，这突显出样本量估计取决于所采用的分析方法以及所探讨的脑-行为关系的效应量。有人提出，受试者内设计提供了最大化统计效力的另一种手段。当在特定临床人群的研究中使用针对性功能磁共振成像任务时，也可能更容易观察到可复现的脑-行为关联。

此研究选择性地回顾了使用功能磁共振成像数据探究发育性脑-行为关联的研究。由于此研究并非旨在为每个表型提供脑-行为关联的全面综述，此研究聚焦于对发育认知神经科学特别感兴趣的几个关键领域——执行功能、奖赏加工和社会认知。此研究讨论了方法学和理论问题，指出了各种方法的优缺点。在此过程中，此研究强调了该领域面临的一些主要开放挑战和持续存在的争议。最后，此研究提出了提高发育队列脑-行为研究可靠性和可复现性的潜在未来方向。

发育过程中fMRI脑行为关系的任务

关于儿童和青少年发展的研究通常关注认知控制和奖赏相关过程的成熟。两者之间的相互作用，特别是认知控制过程的成熟相对于奖赏和动机相关过程的延迟，构成了青少年发展双系统理论的基础。尽管有证据表明前额叶介导的认知控制存在与年龄相关的改善，但与年龄相关的激活增加和减少模式的差异，以及动机系统可能驱动观察到的抑制控制强度的证据，共同削弱了与额叶皮层成熟相关的线性改善的简单模型。关于奖赏过程与年龄相关变化的发现也参差不齐。与成人相比，青少年在奖赏预期期间腹侧纹状体的活动既有减少也有增加。不一致的发现可能反映了任务范式的混合、小样本量和横断面设计。利用 IMAGEN 研究的大规模纵向样本，Cao 及其同事报告称，在奖赏预期期间的大脑激活显示出皮层下区域激活减少和前额叶区域激活增加的混合模式。

除了这些主题，文献还包括对推理、工作记忆、错误信号、情景记忆、情绪调节、情绪加工和替代性奖赏过程等的研究。任务态功能磁共振成像对于研究神经发育理论（如双系统理论）具有实用性，因为这些理论通常涉及可以通过精心设计的任务来探究的特定心理过程。与此相关的是，基于任务的数据通常会产生一个表现指标，使得能够量化脑-行为关联中的个体差异和发展轨迹。许多任务设计利用实时行为测量的可用性，自适应地调整任务设计或难度，以突显表现能力。

在认知要求高的任务上，大脑与行为之间随发展的变化关系造成了解释上的复杂性。获得参与者能力的有效、敏感和可靠测量以及他们在扫描期间的表现，对于理解规范发育和个体差异的神经生物学基础至关重要。来自扫描仪外完成的任务的收敛证据也很重要。理想情况下，扫描内任务表现的可靠性将通过更广泛的扫描外认知评估得到确认，从而证明任何观察到的脑-行为关联的普遍性。

头动是神经影像数据有效性的一个挑战，对发育研究尤其成问题，因为年龄往往与头动呈负相关。任务态功能磁共振成像测量对这些效应较不敏感，因为它们依赖于试次相关活动的聚合以及条件间的相减，而不是可能被运动人为膨胀的区域间相关性。然而，任务连接分析是一种相对未得到充分利用的数据资源。过去二十年中为表征静息态功能连接而开发的许多复杂分析方法都可以应用于任务数据。例如，Cao 及其同事显示，在14至19岁之间，腹侧纹状体与额叶、颞叶、顶叶和枕叶区域之间的功能连接增强。此外，图论指标显示19岁时区域间连接和拓扑效率更高。Poon 及其同事报告称，青少年观看负面情绪图像时前额叶-边缘连接的强度可以预测一年后的情绪调节困难，而这些困难介导了与两年后内化和外化症状的关联。Lee 及其同事利用任务态和静息态数据表明，重组奖赏网络的能力随年龄增长而增强。

任务态功能磁共振成像数据为表征大脑连接提供了多种选择。例如，基于连接组的预测模型创建边，特征选择和交叉验证方法识别与感兴趣表型相关的边，并在解释基于反应抑制任务连接性的青少年酒精使用和基于奖赏任务连接性的大麻使用方面的个体差异上取得了显著成功。替代方法侧重于在去除任务相关信号后或隔离特定于任务诱发信号的连接性。Zhao 及其同事表明，任务相关连接性可能更适用于捕获由任务参与或其认知需求相似的个体差异。其他方法，如心理生理交互作用或 beta 序列相关，揭示了功能连接如何随任务条件而变化，从而提供对脑-行为关联的进一步见解。

任务态功能磁共振成像的主要问题可能是其可靠性。许多任务设计产生的信号不足，无法恰当地表征参与者的能力及其潜在的大脑特征。静息态功能磁共振成像领域对扫描时长重要性的关注在任务态功能磁共振成像领域并未得到匹配。任务的选择通常是因为它们能够产生稳健的群体激活图，这可能使它们特别不适合捕获个体差异或个体水平的发展轨迹。为了探究脑-行为关联，任务通常会产生表现上的个体差异，虽然这是一个优势，但也可能带来分析上的挑战。在磁共振成像时间序列分析中对行为差异的不充分指定可能导致不精确和有偏的激活测量。磁共振成像信号的时间序列分析需要足够灵活以适应个体内和个体间的差异，包括血流动力学反应的发育差异。

任务的选择通常仅基于其作为心理过程探针的表面效度，而它们在揭示理论上有用的脑-行为关联方面的效用受限于它们成功分离感兴趣过程的程度。对任务数据的计算建模方法提供了一条重要的前进道路。能够清晰指定和参数化任务表现中涉及的心理过程的计算模型，可以产生对脑-行为关联更具机制性的见解。例如，Weigard 及其同事将漂移扩散模型应用于 ABCD 研究工作记忆 N-back 任务的表现。一个证据积累效率因子被用来区分与刺激熟悉性相关的表现和与目标相关刺激特征相关的表现。证据积累效率参数在任务各水平上高度相关，显示出稳健的发育差异、高重测信度，并与临床测量相关联。

最后，多变量方法也显示出巨大的潜力。通过整合广泛分布的激活测量，多变量分析通常比单变量分析表现出更好的脑-行为关联和更高的可靠性。基于超过9,000名执行 ABCD 研究 N-back 工作记忆任务的参与者，Baranger 及其同事构建了一个工作记忆的神经特征。这个多变量分类器旨在最佳地区分 2-back 和 0-back 条件下的激活，并为每个参与者导出一个单一分数，指示每个个体的激活在这两个条件之间的差异程度。与区域大脑激活的标准测量相比，这种神经特征更可靠，与 N-back 任务表现、扫描外认知测量和精神病理学症状得分的相关性更好。多变量方法也可以适应大型神经发育数据集中通常可获得的丰富表型特征。利用典型相关分析，Kohler 及其同事发现，一个包含负紧迫性和延迟贴现行为的奖赏潜在维度可以与奖赏预期期间纹状体、丘脑和前扣带反应之间的协变联系起来。

发育过程中的静息态功能磁共振成像脑-行为关系

由于静息态功能磁共振成像数据采集相对简单，它越来越多地被用于从儿科以及其他难以扫描的人群中收集神经影像数据。静息态功能磁共振成像使研究人员能够回避任务态功能磁共振成像中与表现差异相关的大脑激活变化与那些与大脑成熟相关的变化之间复杂关系的问题。在过去的几十年里，大型静息态功能磁共振成像数据集的可获得性使得儿科神经影像学中的脑-行为关联研究蓬勃发展。

神经发育以大规模功能脑网络整合和分离两个过程为特征的观点自静息态功能磁共振成像早期就已存在。这些成熟过程被认为与大脑中短程功能连接的减弱和长程功能连接的增强有关。理解这些神经发育变化对认知和行为的影响一直是脑-行为关联研究的主要焦点。

过去几十年的儿科静息态功能磁共振成像研究揭示，突显网络和默认网络的非典型功能是许多神经发育障碍的跨诊断特征。脑-行为关联研究开始揭示为什么会这样。在中国(n = 202)和美国(n= 2,186)收集的两个儿科神经影像数据集中，一项研究发现儿童的突显/腹侧注意网络功能连接与广泛的智力功能和认知能力测量相关。这一关联是在独立样本中得以复现的稳健发现的例子。另一项在费城神经发育队列样本中进行的横断面研究（年龄8-22岁） (n = 754)发现，在静息态和工作记忆任务功能磁共振成像数据中，扣带-岛盖网络的特征向量中心性随年龄增长而增加。这一中心性测量与工作记忆任务表现呈正相关。另一项针对6-17岁(n=119)儿童的研究发现，源自全脑的静息态功能连接特征可用于预测效价偏差——个体对模糊信息倾向于积极或消极评价的差异。有趣的是，该研究还发现扣带-岛盖网络是这一预测的重要贡献者。注意到一些研究人员所称的“扣带-岛盖网络”与其他人所称的“突显/腹侧注意网络”之间存在显著的空间重叠。这表明涉及前岛叶和前扣带皮层的网络，在典型和非典型发育中都至关重要。

另一项使用费城神经发育队列静息态功能磁共振成像数据的研究显示，阅读成就较高的个体其额顶网络的偏侧化更强，这种脑-行为关系由认知控制能力介导。未观察到与年龄的显著交互作用，表明这种特定的脑-行为关系在青少年发育过程中是稳定的。一些研究已开始检验特定年龄队列内得出的脑-行为关联是否能够泛化到该年龄范围之外的个体。使用来自 CamCAN 数据集（被分为年轻、中年和老年组）的静息态功能磁共振成像和结构磁共振成像指标，Yu 及其同事为特定年龄组内的行为结果构建了预测模型。使用从较年轻参与者收集的数据形成的预测模型，在较年轻受试者中的行为结果预测最准确，对中年和老年组的准确性较低。当使用从较年长参与者收集的数据构建预测模型时，他们在跨年龄组应用时未观察到预测准确性的显著差异。这表明存在一种不对称性，即老年个体的脑-行为关联可能泛化到年轻个体，但反之则不然。另一项针对4-55岁参与者的研究使用基于连接组的预测模型从静息态功能磁共振成像数据预测工作记忆容量，并显示不同的功能连接特征预测不同年龄组的工作记忆，整体表现最差的是较年轻组。最后，一项使用增强版内森克莱恩研究所-罗克兰样本提供的静息态功能磁共振成像数据的研究发现，大脑信号变异性和执行功能之间的关联随参与者年龄而变化。执行控制网络中的大脑信号变异性与执行功能的神经心理学评估之间的关联在青春期是正的，但在老年期是负的。综合起来，这些研究表明脑-行为关联可能是年龄特异性的。

ABCD 数据集的出现激发了近期多项发育性脑-行为关联研究。使用从美国国立卫生研究院工具箱认知测验中得出的“认知综合”得分，Marek 及其同事发现默认模式网络-背侧注意网络静息态功能连接与较高的通用认知能力之间存在关联。Chang 及其同事类似地发现，增加的默认模式网络-背侧注意网络反相关与任务表现较低的个体内变异性和较少的注意力问题相关。其他 ABCD 研究结果表明，认知灵活性表现与默认模式网络和额顶网络功能连接相关。

多变量方法已经产生了超越单变量方法的重要见解。将典型相关分析应用于 ABCD 数据集中的多个大脑指标和表型变量，揭示了邻里环境、父母特征、家庭生活质量、身体健康、认知和精神病理学与大脑测量之间的可复现关联。Thapaliya 及其同事使用静息态功能磁共振成像衍生的功能网络连接矩阵来预测 ABCD 数据集中的智力。

研究最充分的脑-行为主题之一是精神病理学的发展。Royer 及其同事的一项研究发现，一个一般精神病理学因子解释了多模态神经影像特征之间的大部分协方差，而内化、外化和神经发育维度则与不同的大脑形态和功能连接特征相关。Xiao 及其同事的另一项研究计算了一个潜在功能连接组模式，可以在纵向随访中预测跨诊断的转换。还有一项研究专门关注内化症状，发现这些评分中约10%的方差可以由默认模式网络、背侧注意网络和扣带-顶叶网络的静息态功能连接解释。总之，这些结果表明，在认知和精神病理学领域，可以从静息态功能磁共振成像中有意义地衍生出多种形式的脑-行为关联。

总结与未来方向

哪个更好，任务态还是静息态？

为了检验脑-行为关联，任务态和静息态哪个更好？从静息态和任务态功能磁共振成像数据计算出的全脑网络架构高度相似，尽管在检查图论指标的研究中已经注意到了任务-静息态的网络拓扑差异。在资源有限的情况下，研究人员常常面临是否在其神经影像方案中包含更多任务态或更多静息态功能磁共振成像的决策。答案在很大程度上取决于感兴趣的问题。在最大化脑-行为预测准确性的背景下，最近的一项全面研究确定，30分钟的扫描是最具成本效益的，在相同扫描时长下，任务态功能磁共振成像比静息态功能磁共振成像能够实现更好的预测。这与早期研究一致，即当解释个体表型（如流体智力）的方差时，从任务态功能磁共振成像数据生成的预测模型优于从静息态功能磁共振成像数据构建的模型。

静息态功能磁共振成像的一个显著优势是它在选择用于分析的区域和网络方面提供了很大的灵活性，包括事后调查，因此适用于数据汇集和二次分析。相比之下，任务态功能磁共振成像需要承诺探究特定功能。虽然任务态功能磁共振成像范式对于阐明特定认知过程背后的神经生物学是最优的，但静息态功能磁共振成像在识别更广泛表型范围内的脑-行为关联方面可能具有更大的效用。其他设计如看电影，通过参与适合多种事后探究的广泛心理过程，可能达到一种平衡。

为了获得更长的功能磁共振成像时间序列，一些研究已经将任务态和静息态功能磁共振成像数据连接起来。总体而言，该领域将从未来同时收集任务态和静息态功能磁共振成像数据中受益。这些模式在单独分析时可以潜在地提供关于大脑功能的补充信息，同时在需要更长时间序列来增加统计效力的某些分析方法中也可以有意义地结合起来。

未来路线图

提高可靠性和有效性：尽管最近围绕脑-行为关联可重复性的讨论大多集中在样本量上，但测量的可靠性也至关重要。最近的一项研究使用英国生物银行的数据证明了表型低可靠性的影响。作者认为，只有当应用于高度可靠的数据时，将样本量从几百人增加到几千人才能改善脑-行为预测。未来任何数据收集工作的一个重要考虑将是尽一切努力只包含最可靠的行为测量。对于研究社区已有的现有大型数据集，二次分析的预注册以及使用交叉验证或其他复现方案可以极大地帮助发现可复现的效应。通过例如利用扫描外任务组和任务能力的计算模型来创建更有效的能力测量，可能会产生更好的脑-行为关联，这些计算模型可能会产生与大脑功能更密切相关的基本认知过程测量。此外，从磁共振成像数据和时间序列分析中提取最有意义信号的持续努力仍然是一个高度优先事项。

提高样本的多样性：样本多样性不足也可能阻碍脑-行为预测的进展。例如，当仅从白人参与者收集的静息态功能磁共振成像数据用于生成预测模型时，对黑人参与者表型的预测较弱。要防止这种类型的泛化失败，需要理解与社会人口因素相关的全部神经变异。美国以外的国家，如中国，正在创建和发布大规模的神经发育队列人群神经科学数据集。利用这些覆盖全球人口的抽样数据集，将是未来联合和分层脑-行为关联研究的一个重要方向。

纳入多模态神经影像：对成人的研究表明，整合结构和功能神经影像模式可能会提高认知能力的预测准确性。在多模态发育神经影像学方面取得的进展较少。由于儿科结构神经影像数据集更容易受到运动伪影的影响，这可能导致皮层厚度和表面积测量的系统性偏差，因此在结合神经影像模式时，可能需要手动质量控制干预，以确保检测到有意义的脑-行为关联。

改进对方法学选择影响的评估：不同的数据预处理流程的影响可能会极大地改变静息态功能连接结果，其方式足以影响全脑关联研究。正在进行的评估脑分区对行为预测影响的方法学工作表明，不同类型的分区可能对成人和发育数据集表现更好。沿着这些思路，个体特异性分区已被证明在从静息态功能连接预测行为方面略优于群体水平分区。显然，需要将从成人队列研究中获得的方法学进展在未来研究中推广并应用于发育队列。一条潜在的前进道路是“多重宇宙”策略，即在一个数据集上同时评估多个数据分析流程。虽然这种方法计算量很大，但它提供了一种评估结果一致性和稳健性的手段。

改进对环境因素的纳入：环境背景对神经发育的影响已有充分记录。ABCD 数据集包含一系列构成“城市环境组”的环境变量，涵盖了重要因素，如交通模式、空气质量和城市环境中发生的社会互动。最近一项 ABCD 研究发现，在来自家庭收入低于 25,000 美元的儿童中，认知测试表现更好与默认模式网络和额顶网络之间更强的功能连接相关，并且这种关联的方向可由学校类型和家长报告的邻里安全等环境特征预测。另一项 ABCD 发现将儿童的环境与功能网络拓扑和认知的纵向变化联系起来。这些结果突显了考虑环境背景如何影响脑-行为关联的重要性。仔细考虑环境及其他背景变量所扮演的复杂中介关系，将是提高发育性脑-行为关联研究潜在政策影响力的一个重要未来方向。

参考文献：Uddin, L. Q., & Garavan, H. (2026). Task and Resting-State Functional Magnetic Resonance Imaging Modeling of Brain-Behavior Relationships in Developmental Cohorts. Biological psychiatry, 99(10), 830–839. https://doi.org/10.1016/j.biopsych.2025.09.012                                                             

解读：脑海科技

声明

本公众号发布的文章旨在促进学术交流，版权归原作者或原出处所有。若涉及版权问题，请及时联系我们删除。联系邮箱：zhangfei@fmri123.com

开放转载，欢迎大家转发到朋友圈和微信群